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出版者:Cambridge University Press

作者:Malcolm J. Abzug

出品人:

页数:416

译者:

出版时间:2005-10

价格:$ 94.92

装帧:

isbn号码:9780521021289

丛书系列:

图书标签:

• 航空稳定性
• 航空控制
• 飞行力学
• 飞行器动力学
• 气动特性
• 飞行控制系统
• 纵向稳定性
• 横向稳定性
• 方向稳定性
• 飞机设计

航空动力学与飞行器设计原理：探索气动、结构与控制的深度交融 第一章：空气动力学基础与流体力学前沿 本书旨在为航空航天工程领域的学生、研究人员以及专业工程师提供一个全面而深入的视角，聚焦于现代飞行器设计背后的核心物理原理和工程应用。我们将从最基础的流体力学概念出发，逐步深入到复杂气动特性的分析。 1.1 连续介质假设与纳维-斯托克斯方程的工程近似 我们将详细探讨流体运动的基本守恒定律，包括质量、动量和能量的守恒。重点分析在不同马赫数（从低速亚音速到高超音速）下，如何对不可压缩流和可压缩流进行建模。针对工程实践中的挑战，我们将审视边界层理论的最新发展，包括湍流模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）的适用性及其在预测阻力、传热和气动弹性效应中的关键作用。 1.2 翼型理论与三维机翼的非线性气动分析 本书不会止步于经典的薄翼型理论。我们将深入讲解涡度输运方程及其在预测非线性升力特性上的优势。在三维机翼部分，我们将重点解析下洗角（Downwash）、有限机翼效应以及诱导阻力的精确计算方法。特别地，我们将引入先进的面元积分法（Panel Methods）和计算流体力学（CFD）在复杂构型（如后掠翼、三角翼和带翼尖小翼的机翼）气动外形优化中的应用案例。我们将用具体的算例展示如何通过精确的气动参数设计来提升飞机的升阻比（L/D）。 1.3 激波、膨胀波与高超音速气动效应 在高马赫数飞行器设计中，激波的形成和控制是决定性能的关键。本章详细分析斜激波和正激波的Hugoniot关系，并探讨拟二维（Quasi-2D）和完全三维的激波-边界层干扰效应。对于高超音速飞行，我们将讨论非平衡流动、化学反应动力学对空气动力学特性的影响，以及化学非平衡效应（CNEE）在再入飞行器设计中的重要性。此外，我们还将介绍激波/边界层分离的预测与控制技术，例如通过微型喷气或等离子体激励进行主动流动控制的最新进展。 --- 第二章：结构载荷、材料科学与空气弹性力学 飞行器的结构必须在承受极端气动载荷的同时，保持轻量化和高可靠性。本章聚焦于结构设计、先进材料的力学响应以及气动载荷与结构动力学之间的耦合效应。 2.1 飞行器结构静力学与载荷工况分析 我们将从静力学基础出发，建立机翼、机身和尾翼的结构受力模型。重点分析极限载荷（Limit Load）和设计载荷（Design Load）的确定过程，并详细阐述不同飞行阶段（如最大爬升、俯冲、以及大气湍流）对结构载荷谱的影响。本书将引入有限元分析（FEA）在评估复杂装配体应力集中和疲劳损伤预测中的标准流程与最佳实践。 2.2 先进复合材料的力学性能与失效分析 现代飞行器越来越多地采用碳纤维增强复合材料（CFRP）。本章将深入探讨层合板理论，包括经典层合板理论（CLT）和更精细的三维弹性理论。我们将重点分析铺层设计如何影响材料的各向异性刚度、抗剪切性能和抗冲击性能。失效分析部分，我们将涵盖纤维断裂、基体开裂、脱层（Delamination）的识别与测试方法，以及如何利用渐进损伤模型（Progressive Damage Modeling, PDM）来模拟结构在极端载荷下的最终失效过程。 2.3 空气弹性力学：耦合动力学的核心挑战 空气弹性是理解飞行器结构动态响应的关键。本章详细解析静偏性（Static Aeroelasticity），包括发散（Divergence）和失速发散（Flutter）的临界条件预测。我们将使用模态分析（Modal Analysis）来确定结构的特征频率和振型，并结合气动导纳函数（Aerodynamic Admittance Functions），建立非定常气动载荷与结构动力响应之间的耦合方程。本书将提供关于如何通过结构刚度分布和气动外形设计来有效抑制颤振的工程案例研究。 --- 第三章：推进系统集成与性能评估 推进系统不仅提供推力，其安装位置和流场干扰对整体气动性能有着决定性影响。本章关注喷气发动机（涡扇、涡喷）和螺旋桨/涵道风扇系统的集成设计。 3.1 喷气发动机性能与进气道设计 我们将分析热力循环理论在评估发动机性能（如推力、比推力）中的应用。核心内容聚焦于进气道设计——如何设计一个能以高效率将外部气流导入压气机的系统。我们将分析总压恢复系数的计算，以及在不同迎角下进气口畸变（Distortion）对发动机喘振裕度的影响。特别地，我们将探讨可调几何进气道在跨声速和超声速飞行中的设计策略。 3.2 喷流/气动干扰效应 发动机喷流与机身周围气流的相互作用是影响后机身气动效率和推力损失的重要因素。本章将量化喷流偏转（Jet Deflection）对升力和阻力的影响，并深入研究矢量推力（Thrust Vectoring）系统的设计原理及其在提高机动性和短距起降（STOL）性能中的潜力。我们将使用CFD工具模拟复杂多变的喷流混合过程，以优化喷口形状和布局。 --- 第四章：飞行器设计与任务剖面分析 本章将前面三个章节的理论知识融会贯通，应用于完整的飞行器设计流程，强调从概念设计到任务评估的迭代过程。 4.1 任务需求与构型选择 飞行器设计始于明确的任务需求（如航程、有效载荷、速度范围）。我们将介绍设计参数空间的探索方法，包括利用气动效率、推重比、结构重量分数等关键指标构建的设计包线图。本章将对比不同布局（常规布局、无尾布局、串联翼）在特定任务剖面下的性能权衡。 4.2 飞行包线与安全裕度确定 飞行包线是定义安全运行范围的边界。我们将详细分析失速边界、最大速度边界（马赫数限制）、结构载荷限制是如何共同决定最终的飞行包线的。特别关注大气湍流模型（如标准大气和非标准大气模型）的应用，以及如何通过概率分析来确保飞行器在99.9%的飞行时间内满足设计安全要求。 4.3 综合性能迭代与优化 本书强调设计是一个不断迭代的过程。我们将介绍多学科设计优化（MDO）的基本框架，说明如何将气动、结构、推进和任务剖面分析软件无缝连接，以最小化整体重量或最大化特定性能指标（如航程或有效载荷）。 --- 第五章：先进概念与未来展望 本章将探讨正在影响未来航空航天的前沿技术和设计理念，超越传统刚性飞行器的范畴。 5.1 变形与适应性气动外形 我们将研究如何通过结构变形技术来实时优化气动性能。内容包括柔性蒙皮技术、可变弯度翼（Morphing Wing）的设计原理，以及如何利用智能材料（如形状记忆合金或压电材料）来主动改变翼型或机翼平面形状，以应对不同飞行条件的最佳气动要求。 5.2 仿生学与非常规气动布局 从鸟类和昆虫的飞行机制中汲取灵感，本章讨论扑翼飞行器、具有大展弦比（High Aspect Ratio）的仿生翼在巡航效率上的潜力。同时，也将探讨分布式电推进（Distributed Electric Propulsion, DEP）技术如何改变传统机翼与发动机的布局关系，为实现更高效、更安静的飞行提供新的设计思路。 5.3 高度集成化的结构与系统 未来的飞行器将追求结构与功能的高度集成。我们将探讨智能蒙皮（集成传感器和执行器）、燃料在结构中的存储（Wet Wing）以及热管理系统如何直接影响结构完整性。这部分内容旨在激发读者对下一代航空器设计中系统级优化的深入思考。

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